吹填浅表层超软弱淤泥的工程特性研究

冯国杰 中交广州水运工程设计研究院有限公司

1.引言

近年来，中国沿海地区用地日趋紧张，填海造地项目普遍分布于沿海地区，且规模也日益增加，利用清理航道和港池疏浚产生的大量淤泥吹填进行造地，正成为具有积极意义的方式，既解决了疏浚土的抛弃问题，又缓解了填海造地所需砂石料资源紧缺的问题，而且环境污染较小，经济且环保，具有多方面社会及经济。

2.超软弱淤泥成因及沉积形态

2.1 吹填过程中和吹填完成后超软淤泥的形成分析

淤泥吹填过程通常经历有以下几个阶段：

（1）水流冲蚀阶段：吹填初期泥浆对原始地面的冲刷、侵蚀过程，形成流槽。

（2）动水沉积阶段（动态扩散阶段）：当吹填泥面不断上升或者具备一定水深条件时，吹填泥浆难以触及原始地面，侵蚀作用消减，泥浆中的颗粒水平运动过程中逐渐分选、沉积，其中，粗颗粒首先在吹填口附近沉积，形成微三角洲，同时形成流槽，细颗粒随水流逐渐向远处扩散，并逐渐沉积。

（3）静水沉积阶段：吹填完成后，水环境恢复平静，水动力消散，泥浆中的土颗粒在自重影响下，逐渐分选沉积。

（4）失水固结阶段：随着表层水、孔隙水的进一步消散，泥浆进入失水阶段，逐渐开始固结，强度逐渐增长。

根据工程实践可知，吹填过程中，吹填淤泥主要受水平动力影响，其形成过程主要表现为冲蚀阶段和动水沉积阶段；吹填完成后，水平动力消失，主要受自重垂直动力，主要表现为静水沉积阶段；随着表层水、孔隙水消散，土颗粒应力重新分布，进入失水固结阶段。

2.2 超软淤泥沉积形态

超软淤泥淤泥的沉积格局包括平面形态，剖面形态和微三角洲类型及其相互关系。

（1）平面形态。吹填淤泥的平面形状在吹填出口附近主要以粗颗粒沉积形成微三角洲为主，随着与吹填口距离的增加，以细颗粒为主的固态物质逐渐更大范围的沉积分布。

（2）剖面形态。吹填淤泥在吹填口附近产生较强的侵蚀现象，同时，形成流槽，随着距离的增加，流槽深度逐渐变浅，宽度逐渐变宽，直至消失。

（3）微三角洲形态。吹填淤泥再吹填口附件形成以粗颗粒为主的三角洲形态，具有一定坡面，并且呈扇形向远处发散，同时逐渐转变为以细颗粒为主。

3.超软弱淤泥物质组成

当吹填完成后，泥浆中土壤颗粒暂未沉积和絮凝，结构松散，含水量高。超软污泥的物质组成，特别是粒度组成和粘土矿物组成，是影响其沉降或沉降和固结特性的重要因素。

吹填淤泥扫描电子显微镜分析表明，淤泥中的粘土矿物主要以伊利石（水合云母）为主，含少量高岭石。与海相淤泥的矿物组成顺序（高岭石为主，伊利石较少）恰恰相反，这是因为在吹填过程中伴随有粘土化（伊利石化）作用所致。

吹填过程中由于整体流量小（管道的直径相对于淤泥表面），吹填过程中淤泥的流速很小，并且流出喷嘴的泥水的流速迅速降低，沉积物沉积速度较快，因此分选效果主要是水平分选，垂直分选影响很小或没有影响。吹填施工完成后，水平动力基本没有，分选效果主要是垂直分选，水平分选基本没有影响。

4.超软弱泥浆的物理力学性质分析

4.1 物理力学性质

吹填过程中淤泥具有以下物理特征：

（1）含水量基本在100%以上，液限超过1.5倍；孔隙比均大于2.5；可塑性指数基本上大于20，流动性指数大于2.0；

（2）吹填施工时间的长短对淤泥的含水量和空隙率有较大影响。

（3）处于动水沉积阶段，分选效果主要是水平分选，垂直分选影响很小或没有影响。

吹填完成后淤泥具有以下特征：

（1）处于静水沉积阶段，水平动力消失，分选效果主要是垂直分选，水平分选基本没有影响；

（2）孔隙特征主要以孤立孔隙为主；

（3）微观结构主要以紊流状和粒状镶嵌结构为主；

（4）含水率和空隙率大，流动性指数大。

4.2 孔隙特征

吹填淤泥的孔隙主要表现为孤立孔隙，粒间孔隙和粒内孔隙。

（1）孤立孔隙。孤立孔隙具有大孔径、间断分布、数量少等特点，通常呈圆形或者椭圆形，对土体的孔隙度和压缩性有显着影响。

（2）粒间孔隙。粒间孔隙具有分布广泛、连通性好、形状复杂等特点，其大小取决于颗粒之间的接触模式。

（3）粒内孔隙。粒内孔隙主要存在于粒状聚集体和微团聚体中，具有分布广泛、孔径较小、连通性好等特点，对吹填软土的渗透固结特性有显著影响。

对于新近吹填淤泥，经过水动力重塑和颗粒重新分选，其原始结构被破坏并且颗粒被重新分布之后，土颗粒结构尚未完全形成，因此其孔隙特征由孤立孔隙主导。

4.3 微观结构

吹填淤泥微观结构大致可分为四类，即紊流状结构、粒状胶结结构，蜂窝结构和粒状镶嵌结构。

（1）紊流状结构。由粘粒和有机物质组成的微团聚体构成的柔性骨架。孔隙主要是颗粒间孔隙，分布不均匀，形状细长，孔隙周围易形成局部涡流，具有湍流外观。

（2）粒状胶结结构。由粒状单晶或聚集体连接形成，孔隙主要是粒间孔隙和粒内孔隙，结构强度低、压缩性大。

（3）蜂窝状结构。由微团聚体组成，结构无方向性，呈蜂窝状，孔隙主要是粒间孔隙。

（4）粒状镶嵌结构。在上述结构中，由粗颗粒嵌入形成，由于粗颗粒自重或者环境动力影响，其较易脱落形成较大孔隙，结构不稳定。

吹填淤泥经过水动力重塑和颗粒重新分选，以紊流状结构和粒状胶结结构为主，内部存在较多孤立孔隙及裂缝，具有结构松散、强度较低、含水量大、渗透性强等特点。

5.工程特性分析研究

吹填淤泥通常具有以下工程特性：

（1）吹填淤泥成分和工程性质与取泥区内未受干扰的淤泥的原始性质密切相关；

（2）吹填淤泥通常具有含水量大，空隙率大，重量小，压缩性高，渗透性小，强度低，地基承载力低，灵敏度高等特点；

（3）吹填过程中，颗粒分选较为明显，以水平分选为主，由近及远粗颗粒逐渐向细颗粒转变；吹填完成后，颗粒分选以垂直分选为主，由上及下细颗粒向粗颗粒转变；

（4）吹填淤泥经过水动力重塑和颗粒重新分选，自重固结及排水时间较长、强度增长较慢。